Учёные ищут единое описание реальности. Но современная физика позволяет описывать её множеством способов, многие из которых эквивалентны друг другу, и связаны через обширный ландшафт математических возможностей
Допустим, мы попросили Алису и Боба приготовить еду. Алисе нравится китайская еда, Бобу – итальянская. Каждый из них выбрал свой любимый рецепт, закупился в местном магазине, специализирующемся на нужных продуктах, и тщательно следовал инструкциям. Но когда они достали свои блюда из духовки, то очень удивились. Оказалось, что оба блюда идентичны. Можно представить себе, какими экзистенциальными вопросами будут задаваться Алиса и Боб. Как из разных ингредиентов может получиться одно и то же блюдо? Что вообще означает готовка китайского или итальянского блюда? Нет ли в их подходе к готовке какого-то фатального недостатка?
Именно такое недоумение испытывают специалисты по квантовой физике. Они обнаружили множество примеров двух совершенно разных описаний одной и той же физической системы. Только в случае физики ингредиентами служат не мясо и соус, а частицы и силы; рецепты – это математические формулы, кодирующие взаимодействия; а готовка – это процедура квантования, превращающая уравнения в вероятности физических явлений. И, как Алиса с Бобом, физики недоумевают, как разные рецепты привели к одному итогу.
Может ли природа выбирать свои фундаментальные законы? Альберт Эйнштейн, как известно, считал, что существует уникальный способ построить непротиворечивую, рабочую версию Вселенной на основании базовых принципов. С точки зрения Эйнштейна, если мы достаточно глубоко заберёмся в сущность физики, там окажется один-единственный способ, которым все компоненты – материя, излучение, силы, пространство, время – будут связаны друг с другом, так, чтобы реальность работала, уподобляясь тому, как шестерёнки, пружины, циферблаты и шкивы механических часов уникальным образом комбинируются и отсчитывают время.
Текущая Стандартная модель физики частиц в самом деле является тщательно подогнанным механизмом с небольшим количеством ингредиентов. И, тем не менее, вместо того, чтобы оставаться уникальной, Вселенная является одним из бесконечного количества возможных миров. Мы совершенно не представляем, почему именно такой набор частиц и сил лежит в основе структуры природы. Почему существует шесть ароматов кварков, три поколения нейтрино и одна частица Хиггса? Более того, в Стандартной модели перечислено 19 констант природы – таких значений, как масса и заряд электрона – которые необходимо измерять экспериментально. Значения этих "свободных параметров", кажется, не имеют глубокого смысла. С одной стороны, физика частиц – это чудо элегантности; с другой – история о том, что оно всё такое, потому что такое есть.
Если наш мир – один из множества, что делать с альтернативами? Текущую точку зрения можно рассмотреть как противоположность мечты Эйнштейна об уникальном космосе. Современные физики принимают огромное пространство возможностей и пытаются понять его общую логику и взаимосвязанность. Из золотоискателей они превратились в географов и геологов, размечая детали ландшафта и изучая силы, его формирующие.
Поменять ситуацию и изменить перспективу помогла теория струн. В данный момент это единственный жизнеспособный кандидат на теорию природы, способную описать все частицы и взаимодействия, включая гравитацию, при этом подчиняясь строгим логичным правилам квантовой механики и теории относительности. Хорошая новость состоит в том, что в теории струн нет свободных параметров. У неё нет никаких ручек подстройки, с которыми можно было бы поиграть. Не имеет смысла вопрос, какая именно теория струн описывает нашу Вселенную, поскольку она всего одна. Отсутствие дополнительных особенностей ведёт к радикальным последствиям. Все числа природы должны определяться самой физикой. Нет никаких «природных постоянных», только переменные, фиксируемые уравнениями (возможно, что и чрезвычайно сложными).
И это приводит нас к плохим новостям. Пространство решений теории струн огромно и сложно. В физике такое бывает. Мы традиционно проводим различие между фундаментальными законами, заданными математическими уравнениями, и их решениями. Обычно существует всего несколько законов и бесконечное количество решений. Возьмём законы Ньютона. Они строгие и элегантные, но описывают огромное количество явлений, от падающего яблока до орбиты луны. Если вам известны начальные условия определённой системы, возможности этих законов позволяют вам решить уравнения и предсказать, что случится далее. Мы не ожидаем и не требуем наличия уникальных решений, описывающих всё.
В теории струн определённые особенности физики, которую мы обычно считали бы законами природы – например, определённые частицы или взаимодействия – на самом деле являются решениями. Они определяются формой и размером скрытых дополнительных измерений. Пространство всех решений часто называют «ландшафтом», но это чудовищное преуменьшение. Даже самая захватывающая горная местность покажется ерундой по сравнению с необъятностью этого пространства. И хотя его географию мы понимаем очень слабо, мы знаем, что на ней существуют континенты огромных измерений. Одна наиболее соблазнительная его черта состоит в том, что, возможно, всё связано со всем – то есть, любые две модели связаны непрерывным путём. Если потрясти Вселенную достаточно сильно, мы должны суметь перейти от одного возможного мира к другому, изменяя то, что мы считаем неизменными законами природы и особой комбинацией элементарных частиц, составляющих нашу реальность.
Но как нам изучить огромный ландшафт физических моделей Вселенной, в котором могут оказаться сотни измерений? Полезно представлять себе ландшафт как неразработанную дикую природу, большая часть которой скрыта под толстыми слоями непроходимой сложности. И только на самых её краях мы можем найти обитаемые места. На этих аванпостах жизнь проста и приятна. Здесь мы обнаруживаем полностью понятные нам базовые модели. Они мало чем помогают в описании реального мира, но служат удобными отправными точками для изучения окрестностей.
Хорошим примером будет КЭД, квантовая электродинамика, описывающая взаимодействия между материей и светом. В этой модели есть один параметр, постоянная тонкой структуры α, измеряющая силу взаимодействия двух электронов. В абсолютном выражении она близка к 1/137. В КЭД все процессы можно рассматривать как следствие элементарных взаимодействий. КЭД предлагает нам рассмотреть все возможные способы, которыми два электрона могут обменяться фотоном, что на практике потребовало бы от физиков нахождения чрезвычайно сложной и бесконечной суммы. Но теория даёт нам обходной путь: каждый последующий обмен фотоном добавляет член, в котором присутствует α, возведённая в дополнительную степень. Поскольку это число довольно малое, то члены с большим количеством обменов вносят малый вклад. Ими можно пренебречь, примерно оценивая «реальное» значение.
Эти слабо связанные теории мы считаем аванпостами ландшафта. Здесь сила взаимодействий мала, и имеет смысл разговаривать о списке покупок, состоящем из элементарных частиц, и рецепте вычисления их взаимодействий. Но если мы оставим ближайшее окружение и отправимся на дикие территории, связи станут крупнее, а каждый дополнительный член начнёт становиться важнее. И теперь мы уже не можем различить отдельные частицы. Они растворяются, превращаясь в перепутанную сеть энергий, как ингредиенты торта в горячей духовке.
Не всё, однако, потеряно. Иногда путь сквозь тёмную чащу заканчивается на другом аванпосте. То есть, на другой хорошо контролируемой модели, собранной из совершенно другого набора частиц и взаимодействий. В таком случае они становятся двумя альтернативными рецептами для одной и той же лежащей в их основе физики, как блюда Алисы и Боба. Эти дополняющие описания называют дуальными моделями, а их взаимосвязь – дуализмом. Мы можем рассматривать эти дуализмы в виде великого обобщения знаменитого корпускулярно-волнового дуализма, открытого Гейзенбергом. В случае Алисы и Боба он принимает вид перехода между китайским и итальянским рецептами.
Почему это так интересно для физики? Во-первых, заключение, сводящееся к тому, что многие, если не все модели являются частью огромного взаимосвязанного пространства, находится среди наиболее потрясающих результатов современной квантовой физики. Это смена перспективы, достойная термина "смена парадигм". Она говорит о том, что вместо исследования архипелага из отдельных островов, мы открыли один массивный континент. В каком-то смысле, достаточно глубоко изучая одну модель, мы можем изучать их все. Мы можем изучать то, как эти модели связаны, что будет раскрывать нам общее в их структурах. Важно подчеркнуть, что это явление по большей части не зависит от вопроса о том, описывает ли теория струн реальный мир, или нет. Это внутреннее свойство квантовой физики, которое уже никуда не уйдёт, каким бы ни оказалось будущее «теории всего».
Более радикальный вывод состоит в том, что нам придётся избавиться от всех традиционных описаний фундаментальной физики. Частицы, поля, взаимодействия, симметрии – это всё артефакты простого существования на аванпостах этого обширного ландшафта неприступной сложности. Судя по всему, подход к физике в терминах элементарных строительных блоков неверен, или, по крайней мере, весьма ограничен. Возможно, существует радикально новая платформа, объединяющая фундаментальные законы природы, игнорирующая все знакомые концепции. Математическая запутанность и связность теории струн сильно мотивирует на такую точку зрения. Но надо сказать честно. Очень мало сегодняшних идей о том, что заменит частицы и поля, оказываются «слишком безумными, чтобы быть правдой», если цитировать Нильса Бора. Как Алиса и Боб, физика готова выбросить старые рецепты и принять современную фьюжн-кухню.
Автор: Вячеслав Голованов
